FR2548050A1 - Countercurrent cyclone exchanger - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a device making it possible to carry out a methodical exchange of heat or of matter between a fluid and a finely-divided material in suspension in this fluid. It consists of an axisymmetric fluid casing 2 at a maximum distance from the axis; at one end of the axis, an annular material inlet 5 and a circular fluid outlet 3 which are coaxial, the first being outside the second; at the other end of the axis, a material outlet. Suitable operating characteristics enable a radial countercurrent circulation of the fluid (centripetal movement) and of the material (centrifugal movement) to be obtained in the exchanger. The separation of the fluid and of the material after exchange may be improved by a disc 7 for separating overflow from underflow. The pressure drop of the fluid in the cyclone may be reduced by a turbine driven by the fluid at its exit from the exchanger 8. The temperature profile in the exchanger may be controlled by the supply or abstraction of heat and/or of material inside the exchanger 9. The device according to the invention is particularly intended for the industrial processes of heat treatment (heating, calcining, cooling) and of dissolving or crystallising.

Description

ECRANGEUR-CYCLONE A CONTRE COURANT
La présente invention concerne les appareils destinés à l'échange de substances (dissolution - osmose - lavage...) ou de chaleur (chauffage refroidissement...) par contact direct entre un fluide et une matière en suspension dans ce fluide.COUNTER CURRENT CYCLONE
The present invention relates to devices intended for the exchange of substances (dissolution - osmosis - washing, etc.) or of heat (heating, cooling, etc.) by direct contact between a fluid and a material in suspension in this fluid.

Dans les échangeurs de ce type connus à ce jour, il est difficile d'obtenir un échange à la fois complet (rendement d'échange élevé) et rapide (coefficient d'échange élevé). In exchangers of this type known to date, it is difficult to obtain an exchange that is both complete (high exchange efficiency) and rapid (high exchange coefficient).

En effet le rendement maximum de l'échange s'obtient par une circulation à contre 'courant du fluide et de la matière (échange méthodique) car cela permet de conserver, entre le fluide et la matière en contact, la différence de potentiel (teneur ou température) nécessaire à la poursuite de l'échange. Indeed the maximum return of the exchange is obtained by a circulation against the current of the fluid and the material (methodical exchange) because that allows to keep, between the fluid and the material in contact, the potential difference (content or temperature) necessary for the continuation of the exchange.

Par ailleurs, un coefficient d'échange élevé implique une grande surface spécifique de contact entre le fluide et la matière donc une importante division de celle-ci. Or les fines particules de matière ont une vitesse de sédimentation faible et sont facilement entraînées par le fluide (circulation à co-courant) d'où la difficulté de réaliser un échange méthodique. Furthermore, a high exchange coefficient implies a large specific contact surface between the fluid and the material, therefore a significant division of the latter. However, the fine particles of matter have a low sedimentation rate and are easily entrained by the fluid (co-current circulation), hence the difficulty of carrying out a methodical exchange.

Ansi un gain sur la rapidité de l'échange - donc sur la capacité de production de l'échangeur - s'accompagne généralement d'une perte de rendement. Ansi a gain on the speed of the exchange - therefore on the production capacity of the exchanger - is generally accompanied by a loss of yield.

NOTA : Si la matière est peu perméable à l'échange, sa division est favorable non seulement à la capacité de l'échangeur mais aussi à son rendement, pourvu que les conditions méthodiques de l'échange puissent être conservées. NOTE: If the material is not very permeable to exchange, its division is favorable not only to the capacity of the exchanger but also to its performance, provided that the methodical conditions of the exchange can be preserved.

Pour pallier cette difficulté, les meilleurs échangeurs de ce type (contact direct entre un fluide et une matière en suspension dans ce fluide) connus à ce jour simulent une circulation à contre courant de la matière et du fluide par une alternance de mélanges et de séparations
Mélanges, le fluide et la matière circulent à co-courant, séparés ils circulent en sens contraire ; globalement la circulation résultante est un pseudo contre courant.To overcome this difficulty, the best exchangers of this type (direct contact between a fluid and a material suspended in this fluid) known to date simulate a counter-current circulation of the material and the fluid by alternating mixtures and separations.
Mixtures, the fluid and the material circulate co-current, separated they circulate in opposite directions; overall the resulting circulation is a pseudo against the current.

Tel est notamment le cas des échangeurs voie sèche (EVS) utilisés pour la cuisson de pulvérulents en particulier dans les cimenteries.  This is particularly the case of dry process exchangers (EVS) used for the baking of pulverulent materials in particular in cement factories.

Par rapport à leur capacité de production de tels échangeurs sont généralement complexes et encombrants, leur consommation d'énergie est élevée, leur fonctionnement conserve en partie les inconvénients de l'échange à co-courant et exige parfois un conditionnement, de la matière défavorable à la rentabilité. Compared to their production capacity, such exchangers are generally complex and bulky, their energy consumption is high, their operation partly retains the drawbacks of co-current exchange and sometimes requires conditioning, from the material unfavorable to the profitability.

Les échangeurs pseudo-méthodiques sont donc des appareils dont les coûts d'investissement, de fonctionnement, de maintenance sont élevés en regard de la valeur qu'ils permettent d'ajouter à la matière première. Pseudo-methodical exchangers are therefore devices whose investment, operating and maintenance costs are high compared to the value they allow to add to the raw material.

Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients en réalisant simplement un échange parfaitement méthodique même lorsque la matière en suspension dans le fluide est divisée en fines particules.  The device according to the invention makes it possible to remedy these drawbacks by simply carrying out a perfectly methodical exchange even when the matter suspended in the fluid is divided into fine particles.

Comme un cyclone, il comporte une enveloppe de révolution autour d'un axe le plus souvent vertical (au besoin cet axe peut être oblique ou même horizontal). Like a cyclone, it has an envelope of revolution around an axis which is usually vertical (if necessary this axis can be oblique or even horizontal).

Le fluide est injecté dans l'enveloppe, à la distance maximale de l'axe, avec une vitesse initiale de rotation autour de cet axe. De ce fait ce fluide prend, dans l'enveloppe, un écoulement tourbillonnaire à symétrie axiale caractérisé en tout point par
- une vitesse de rotation qui croit de l'injection vers l'axe
(vortex libre)
- une vitesse radiale centripète
- une vitesse axiale
Dans l'enveloppe la pression du fluide se transforme en énergie cinétique ; sous l'effet de la force centrifuge, le fluide sort à une extrémité de l'axe par une jupe coaxiale à l'enveloppe. (Cette jupe de sortie est généralement à l'extrémité supérieure de l'axe vertical ou oblique).The fluid is injected into the envelope, at the maximum distance from the axis, with an initial speed of rotation around this axis. Therefore this fluid takes, in the envelope, a vortex flow with axial symmetry characterized at all points by
- a speed of rotation which increases from the injection towards the axis
(free vortex)
- a centripetal radial speed
- an axial speed
In the envelope the pressure of the fluid is transformed into kinetic energy; under the effect of centrifugal force, the fluid exits at one end of the axis by a skirt coaxial with the envelope. (This outlet skirt is generally at the upper end of the vertical or oblique axis).

La matière, finement divisée, entre par une ouverture annulaire concentrique extérieurement à la jupe de sortie du fluide. Au besoin, elle reçoit une impulsion de vitesse qui facilite son entratnement par le fluide. The finely divided material enters through an annular opening concentric outside the fluid outlet skirt. If necessary, it receives a speed pulse which facilitates its entrainment by the fluid.

Une adaptation judicieuse
- des conditions d'injection du fluide (vitesse, caractéristiques
débit/pression)
- des conditions d'injection de la matière (vitesse, débit...)
- des caractéristiques de la matière (granulométrie)
- des caractéristiques de l'échangeur (forme et dimension de
l'enveloppe) permet d'obtenir radialement une circulation à contre courant du fluide et de la matiere : il suffit pour cela que les particules de matière centrifugées par la rotation du fluide, aient une vitesse relative de sédimentation supérieure à leur vitesse radiale centripète d'entrainement par le fluide.A judicious adaptation
- fluid injection conditions (speed, characteristics
flow / pressure)
- material injection conditions (speed, flow, etc.)
- characteristics of the material (particle size)
- characteristics of the exchanger (shape and size of
the envelope) makes it possible to obtain a counter-current circulation of the fluid and the material radially: it is sufficient for this that the particles of material centrifuged by the rotation of the fluid, have a relative sedimentation speed greater than their centripetal radial speed d 'fluid training.

Après cet échange méthodique, la matière arrive au contact de l'enveloppe par gravité, centrifugation ou entrainement axial ; elle est alors entratnée par des écoulements rampants en couche limite qui l'amènent à un orifice de sortie, coaxial à l'enveloppe, à l'extrémité de l'axe opposée à la jupe de sortie du fluide. After this methodical exchange, the material comes into contact with the envelope by gravity, centrifugation or axial drive; it is then entrained by creeping flows in a boundary layer which bring it to an outlet orifice, coaxial with the envelope, at the end of the axis opposite to the fluid outlet skirt.

La section de sortie de la matière est inférieure à la section de sortie du fluide. The outlet section of the material is smaller than the outlet section of the fluid.

Un disque de séparation, coaxial à l'enveloppe, permet, au besoin de réduire l'imperfection de la séparation fluide/matière à la sortie de l'échangeur. (réduction des sorties matières avec le fluide et des sorties de fluide avec la matière)
Le disque de séparation peut être libre en rotation et réglable en translation selon l'axe de l'échangeur 9 son diamètre est en principe égal à celui de l'orifice de sortie du fluide toutefois son utilité subsiste lorsque son diamètre est compris entre celui des ouvertures de sortie du fluide et- de la matière.A separation disc, coaxial with the casing, makes it possible, if necessary, to reduce the imperfection of the fluid / material separation at the outlet of the exchanger. (reduction of material outflows with the fluid and fluid outflows with the material)
The separation disc can be free to rotate and adjustable in translation along the axis of the exchanger 9 its diameter is in principle equal to that of the fluid outlet orifice however its usefulness remains when its diameter is between that of fluid and material outlet openings.

Pour limiter la perte de charge dans l'échangeur, on peut faire passer le fluide, avant qu'il ne sorte de l'échangeur, à travers une turbine coaxiale à l'échangeur, de diamètre légèrement supérieur à celui de l'orifice de sortie du fluide. Cette turbine est libre en rotation ; les aubages permettent de transformer l'écoulement à vortex libre du fluide en écoulement à vortex forcé dans lequel l'énergie cinétique de rotation est reconvertie en pression. Cette turbine peut également servir à impulser la matière qui entre dans l'échangeur pour faciliter son entranement par le fluide. To limit the pressure drop in the exchanger, the fluid can be passed, before it leaves the exchanger, through a turbine coaxial with the exchanger, with a diameter slightly greater than that of the orifice. fluid outlet. This turbine is free to rotate; the blades make it possible to transform the free vortex flow of the fluid into a forced vortex flow in which the kinetic energy of rotation is converted back into pressure. This turbine can also serve to impel the material which enters the exchanger to facilitate its entrainement by the fluid.

L'échangeur peut être le siège de réactions exo ou endothermiques il peut Entre intéressant, dans ce cas, d'apporter ou d'évacuer la chaleur de réaction au fur et à mesure de la réaction ; cela permet notamment d'éviter des variations de températures trop importantes qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement (Ex : collages) ou à la bonne tenue de l'échangeur (Ex : chocs thermiques). Dans ce but des apports ou soutirages pourront être effectués dans l'échangeur à distance de l'axe correspondante à la localisation des réactions endo ou exothermiques qui accompagnent l'échange. The exchanger can be the seat of exo or endothermic reactions It can Between interesting, in this case, to bring or to evacuate the heat of reaction as and when the reaction; this in particular makes it possible to avoid excessively large temperature variations which can be detrimental to the proper functioning (Ex: bonding) or to the good performance of the exchanger (Ex: thermal shock). For this purpose, additions or withdrawals may be made in the exchanger at a distance from the axis corresponding to the location of the endo or exothermic reactions which accompany the exchange.

Ainsi, un apport calorifique peut être obtenu par l'un ou l'autre des moyens suivants
- injection de combustible si le comburant (air) est en excès dans
l'échangeur
- injection de comburant (air) si le combustible est en excès dans
l'échangeur
- injection simultanée de combustible et de comburant (air) si la
charge de l'échangeur est inerte
- injection d'un fluide caloporteur
- apport de chaleur sans matière (Ex : chauffage électrique)
L'échangeur pourra comporter plusieurs dispositifs d'apport ou de soutirage de chaleur fixes à différentes distances de l'axe ou à distance variable de l'axe ; ces dispositifs pourront être pilotés par une régulation qui assure la stabilité d'un profil de température dans l'échangeur.Thus, a calorific contribution can be obtained by one or the other of the following means
- fuel injection if the oxidizer (air) is in excess in
the exchanger
- injection of oxidizer (air) if the fuel is in excess in
the exchanger
- simultaneous injection of fuel and oxidizer (air) if the
heat exchanger charge is inert
- injection of a heat transfer fluid
- heat input without material (eg electric heating)
The exchanger may include several fixed heat supply or withdrawal devices at different distances from the axis or at variable distance from the axis; these devices can be controlled by a regulation which ensures the stability of a temperature profile in the exchanger.

- La figure 1 représente en coupe la vue de face d'un échangeur
selon l'invention.- Figure 1 shows in section the front view of an exchanger
according to the invention.

- La figure 2 représente la vue de dessus de cet échangeur. - Figure 2 shows the top view of this exchanger.

Cet échangeur comporte
- une enveloppe cylindro conique (1) de révolution autour d'un axe
vertical
- une buse d'injection du fluide (2)
- une jupe de sortie du fluide (3) à l'extrémité supérieure de l'axe
- une trémie d'alimentation matière (4) avec son ouverture
d'extraction annulaire (5)
- un orifice de sortie matière (6) à l'extrémité inférieure de
l'axe.This exchanger includes
- a cylindro-conical envelope (1) of revolution about an axis
vertical
- a fluid injection nozzle (2)
- a fluid outlet skirt (3) at the upper end of the axis
- a material feed hopper (4) with its opening
annular extraction (5)
- a material outlet (6) at the lower end of
the axis.

Les figures 3 et 4 représentent, en élévation et en plan, un échangeur de ce type pourvu d'un disque de séparation (7), d'une turbine de récupération d'énergie (8) à la sortie du fluide et d'une injection de chaleur (9) dans l'échangeur. Figures 3 and 4 show, in elevation and in plan, an exchanger of this type provided with a separation disc (7), an energy recovery turbine (8) at the outlet of the fluid and a injection of heat (9) into the exchanger.

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au traitement thermique de matières pulvérulentes par contact direct avec un fluide, notamment dans la fabrication de la chaux, du ciment, des réfractaires et dans la préparation des minerais.  The device according to the invention is particularly intended for the thermal treatment of pulverulent materials by direct contact with a fluid, in particular in the manufacture of lime, cement, refractories and in the preparation of ores.

Il est également destiné à la mise en solution d'une substance contenue dans une matière finement divisée, notamment pour l'extraction du sucre de betterave par l'eau (diffusion). It is also intended for the dissolution of a substance contained in a finely divided material, in particular for the extraction of beet sugar by water (diffusion).

Certains éléments du dispositif tels que le disque séparateur et la turbine de récupération d'énergie constituent des améliorations au fonctionnement du cyclone dans toutes ses applications (séparation granulométrique, épaississement...).  Certain elements of the device such as the separating disc and the energy recovery turbine constitute improvements to the functioning of the cyclone in all its applications (particle size separation, thickening, etc.).

Claims (5)

REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant de réaliser un échange méthodique de substance1) Device for a methodical exchange of substance ou de chaleur entre un fluide et une matière finement divisée en or heat between a fluid and a finely divided material into suspension dans ce fluide, caractérisé en ce qu'il comporte suspension in this fluid, characterized in that it comprises une enveloppe de révolution (1) autour d'un axe an envelope of revolution (1) around an axis . une injection de fluide (2) à la distance maximale de l'axe - avec . a fluid injection (2) at the maximum distance from the axis - with une vitesse initiale - ayant une composante de rotation autour de an initial speed - having a component of rotation around cet axe. this axis. seconde. second. circulaire (3), coaxialesl la premiere étant extérieure à la circular (3), coaxiall the first being external to the upe entrée matière annulaire (5), et une sortie de fluide upe annular material inlet (5), and a fluid outlet A A une extrémité de l'axe  A At one end of the axis . A l'autre extrémité de l'axe, une sortie matière (6). . At the other end of the axis, a material outlet (6). 2) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que la séparation2) Device according to claim 1 characterized in that the separation du fluide et de la matière à la sortie de l'échangeur est améliorée fluid and material at the exchanger outlet is improved par un disque coaxial (7) réglable en position sur l'axe. Le by a coaxial disc (7) adjustable in position on the axis. The diamètre de ce disque étant compris entre celui des orifices de diameter of this disc being between that of the orifices of sortie du fluide et de matière. fluid and material outlet. 3) Dispositif selon revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que3) Device according to claim 1 or 2 characterized in that l'énergie cinétique de rotation du fluide, avant sa sortie de the kinetic energy of rotation of the fluid, before it leaves l'échangeur, est récupérée par un rotor coaxial muni de pales the exchanger, is recovered by a coaxial rotor provided with blades radiales. Ce rotor transforme le vortex libre en vortex forcé et radial. This rotor transforms the free vortex into a forced vortex and permet ainsi de sortir le fluide avec une pression qui limite la thus allows the fluid to be removed with a pressure which limits the perte de charge de l'échangeur. pressure drop of the exchanger. 4) Dispositif selon revendication 3 caractérise en ce que le rotor4) Device according to claim 3 characterized in that the rotor fournit à la matière entrant dans l'échangeur une impulsion de provides the material entering the exchanger with a pulse of vitesse qui facilite son entraînement par le fluide. speed which facilitates its entrainment by the fluid. 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce5) Device according to the preceding claims, characterized in that que des apports ou soutirages de chaleur et/ou de matière sont that heat and / or matter are added or withdrawn effectués dans l'échangeur pour répondre localement aux besoins endo carried out in the exchanger to locally meet endo needs ou exothermiques des réactions qui accompagnent l'échange.  or exothermic reactions that accompany the exchange.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2662619A1 (en) * 1990-06-05 1991-12-06 Inst Francais Du Petrole CO-CURRENT CYCLONIC MIXER-SEPARATOR AND ITS APPLICATIONS.
US6957740B2 (en) * 2000-06-23 2005-10-25 Hosokawa Micron Gmbh Cyclone separator with central built-in element

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